微热管及其传热理论分析.doc

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1、微热管及其传热理论分析摘要：随肴微电子制造技术的快速发展，微热管在航天器热控系统、微电子元器件散热等领域屮有着广泛的应用。微热管是利用密封在管内丁•质相变进行热量传输的器件，具有体积小、重量轻、传热效率高、成木低、易于集成、无需外加动力等显著优点，能有效解决目前微小型器件和芯片的散热问题，具有广泛的应用前景。作者综述了微热管的发展与当前研究现状，详细介绍了微热管的工作原理，并指出微热管与常规微热管的区别，对槽道式平板微热管进行理论分析，最后展望了该领域的未来研究方向。关键词：微热管，工作原理，平板微热管，引言随着电子科技技术的进步，许多

2、电子产品向着高性能化、高功率化和小型化方向发展,同时产品的高集成度使其散热空间更为狭小，导致了电了元器件单位面积的热量急剧上升,如高性能微处理器的热流密度已达到lOOW/cn?⑴。元器件的温度每升高1O°C,系统的可靠性降低50%〔习，所以必须采用高效的传热技术对电了元器件进行散热。微热管是一种利用相变传热的高效传热元件，其导热能力大大超越了铜、铝材料的空气强制对流散热方案【2],因此，具有高导热率、良好的等温性，以及结构简单等优点〔I的微热管成为微电了散热领域的关键元件，并广泛应用于乞种电了产品。其屮平板微热管由于其良好的蒸发吸热特性

3、和形状易于与芯片贴合等优点被越来越多地应用于高效散热屮。而微热管或热管内微结构具有强化传热传质的作用，引起研究者越来越多的关注。1.微热管的发展与国内外研究现状微热管是利用密封在管内工质相变进行热量传输的器件，具有体积小、重量轻、传热效率高、成木低、易于集成、无需外加动力等显著优点，能有效解决目前微小型器件和芯片的散热问题，具有广泛的丿2用前景。1944年Gaugler第一次提出了热管的工作原理；1963年美国《应用物理》杂志报道了世界上的第一根热管；1984年Cotter等人提出了热管微型化的设想，为微热管的研究开辟了道路；1984年

4、，T.P.Cottcr在第五屈国际热管会议上首次提出了微热管的概念，并指出微热管在用于电了芯片冷却散热领域具有广阔的应用前景。关于微热管的研究，最初集屮于几个厘米长，工质通道横截面为带有尖角区域的图形,通道的水力半径在10pm〜100pm的单根微热管。T质冋流主要靠的是横截面尖幷区域所形成的毛细力。这种单根微热管主要应用在传输热量不是很大，但要求温度分布均匀稳定的领域。随麻微热管的研究分别从实验研究和理论研究两方面逐步展开，研究结果均体现出这一传热元件相比其它传热手段具有效率高而无需外加动力的优点。而关于微热管结构的研究也从单根微热管逐

5、步发展到微热管阵列，即在固体基板上开出一簇簇微型槽道，这样的方式大大提高了微热管的传热能力，但这只是单根微热管的一种简单的并列组合。进一步的改进是具有连通蒸汽腔的平板微热管。平板微热管通过连通蒸汽腔降低了气液界而高速对流产生的界面摩擦力，使热管的传热能力进一步提高，从而成为H前微热管领域的研究热点。1.微热管工作原理图1所不为微热管工作原理不意图。根据微热管内部蒸汽流动情况，沿其轴向可分为蒸发段、绝热段和冷凝段。从结构上分析，微热管包括管売、毛细吸液芯和T作介质（液流）。为降低热阻和T作介质沸点，提高微热管工作效率，管売内部需保持一定的

6、真空度。在微热管工作时，工作介质在蒸发段吸收热源热量发生相变，蒸汽流经过绝热段到达冷凝段释放热量并凝结为液体，冷凝液流在毛细吸液芯的毛细作用下冋流到蒸发段，如此循环下去，微热管不断将热暈从热源带走。图1微热管工作原理不意图热量由一端传向另一端，在整个热量传递的过程屮主要包含以下六个相互关联的过程:（1）热量从热源通过管壁和充满T作液体的管芯传递到液汽分界面；（2）液体在蒸发段内的液汽分界面上蒸发；（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结；（5）热最从汽液分界面通过管芯、液体和管壁传给冷源；（6）冷凝

7、示的工作介质液体在管芯内毛细力作用下冋到蒸发段。3・微热管与常规热管的区别微热管的结构及工作原理与常规热管类似，最人的区别是常规热管内部通常存在专门提供毛细力以供工质冋流的毛细吸液芯；而微热管则主要是通过沟道尖角区完成工质的冋流⑹。微热管稳态工作时，微热管蒸发段受到外界加热，热量通过热管管壁及液态工质传递到汽液分界面，使工作液体在熬发段内的汽液分界血上熬发。由于液体蒸发，蒸汽腔内产生压差，而蒸汽正是在这压差的作用下由蒸发段流向冷凝段并在冷凝段内的汽液分界面上凝结,释放出热量。热量通过液态丁质和管壁传给冷源，最后由于热管内腔尖角区域的毛细

8、作用使冷凝示的工作液体冋流到蒸发段⑺。图2给出了常见的微热管沟道截面结构。图2微热管常见沟道截面图如前所述，微热管与常规热管嚴人的差别在于微热管依靠沟道尖角区提供毛细力，理论分析发现只要是菲圆形的截面都能提